1、有限元分析在冲压模具设计中的应用作者：赵立飞来源：中国科技博览2018 年第 33 期 摘 要随着社会经济的发展，我国的科学技术有了飞速的发展，冲压加工技术也达到了较高的水平。但在某些基础工业生产中，有些技术依然陈旧，生产效率还比较低，只有不断的将 技术劣势转换为优势，才能利用提高技术水准和机械化，为经济发展服务。本文通过建立有限 元模型，运用成形缺陷模拟和虚拟修模，解决由于不规则的形状而导致塑性流动的不均匀性所 产生的拉裂和起皱，并运用在有限元分析过程中得到的工艺参考参数，如板料应力应变分布、 厚度分布、成形力和压边力变化曲线等，缩短冲压模具设计周期。关键词有限元；冲压模具；起皱；压延筋中图
2、分类号：O346.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）33-0362-01 引言冲压产品的造型越来越复杂，并且人们对其设计的周期要求越来越短，质量要求越来越高，因此，传统的冲压模具设计方法已很难适应目前质量要求高、市场反应迅速的现代制造体 系状况。传统的设计方法与有限元分析方法相结合的现代设计方法可以有效解决上述问题。随 着有限元数值模拟技术的不断发展和完善，可以对复杂的板料成形问题进行模拟分析，以前的 冲压模设计过程中的大量试冲压、修模的工作可以通过有限元软件虚拟进行，从而可以有效地 降低模具制造成本，节约大量试冲和修模的时间，并且还可以获得大量试模过程中无法得到的
3、工艺参考数据，这些数据对于制定冲压工艺有很大的帮助。1 冲压工艺的介绍冲压是通过压力机和模具来对板材、带材和型材等施加外力来使其产生分离或者是塑性变 形，以此获得所需要的形状和尺寸冲压件的一种成型加工方法。冲压的胚料主要分为热轧和冷 轧的钢板和钢带，在全世界的钢材当中有百分之六十到七十都是板材，这当中的绝大部分都是 经过冲压而制成的成品。在制造当中，很多部件都是经过了冲压加工的。与铸件和锻件相比， 冲压件具有薄、轻、匀、强的特点，很多其他方法无法制造出来的工件，例如一些带有加强筋、肋、起伏及翻遍的工件冲压都可以制成，而且由于采用到的模具精密，可以使得工件的精 度达到微米级别，重复的精度和规格都
4、较为一致，孔、凸台等都可以冲压出来。一般来说冲压 件都是不需要再经过切削加工的，或者只需要经过少量的切削加工。相较而言热冲压件的精度 及表面的状态都不及冷冲压件，但都远比锻件和铸件需要的切削加工量少很多。可以说冲压是 一种高效的生产方式，提高了生产的效率，降低了生产的成本，对于工业生产来说无疑是一次 历史性的改变。2 冲压零件介绍如图 1 所示为某模具厂的冲压零件，其形状极不规则，曲面局部变化比较大，因此模具设计较为复杂（冲压件对曲面的连续性要求很高，一般都需要一次成形）。不规则的形状常常会 导致塑性流动的不均匀，易产生拉裂和起皱。3 工艺方案制定图 2 所示为经成形、切边、冲孔以后的零件，由
5、图可知该工件有3 处明显的起皱区，严重影响产品质量和外观。经分析认为主要与压边力、模具间隙等因素有关，同时，在图中所示的 2、3 起皱区域还有明显的模具划伤痕迹，分析认为可能是模具设计不合理，使板料发生不规则流动，导致板料先大面积起皱再熨平而被模具划伤。根据以上的分析，采用有限元模拟分析：（1）成形缺陷模拟。在有限元环境中再现成形缺陷，这一部分是应用有限元分析方法解决实际问题的前提，通过模拟问题发生发展的过程， 找出问题产生的原因。（2）虚拟修模。主要通过计算机软件进行“模具修改有限元模拟”的虚拟循环，消除冲压缺陷，输出模型完成设计。4 成形缺陷模拟（1） 建立有限元模型建立如图 3 所示的几
6、何模型，其目的是再现实际成形时产生的缺陷，所以有限元分析模型应尽量与实际模型一致。上下模、压边圈作为刚体处理，板料厚度为1mm，壳单元划分如图3 所示的板料面，应用表1 所示的材料参数。冲压速度为2m/s8m/s，其他参数按照实际冲压参数设置。按照各压边圈面积换算得到上下压边力分别为50kN（上）、85kN（下左）、120kN（下右）。（2） 结果后处理计算结果应用彩色云图或数值曲线的形式输出。如图4 所示为模拟的变形结果，可以清楚的看出模拟起皱情况与图2 中实际的起皱区域、形式非常吻合。因此，根据上述结果的对比， 假定整个仿真的冲压过程与实际情况相同，在此基础上对模拟过程进行分析，得到模具修
7、改的 具体措施。（3） 起皱原因分析起皱主要是由于板料的局部变形阻力不够，压边力不合理，导致凸模开始作用时周边板料 有翘曲发生（因为开始凸模接触面积小，局部板料开始变形很大，在冲头的继续作用下又被熨 平）。5 虚拟修模压边力修改只要对输入的压边力参数进行改变，压延筋的修改也不需要真正修改压延筋的 形状，只需要修改其位置和变形抗力参数。因此，首先改变压边力和压延筋参数进行模拟计算，然后输出模拟结果判断改变后的模型参数是否合理。判断的主要依据是板料的平面应变状 态和板料厚度分布图（单元压应变失稳预示该区域起皱，减薄超过材料减薄率预示着拉裂）。 如果检测合格，则输出模拟的压边力和压延筋参数进行模具设
8、计，若检测不合理，则改变参数 重复以上过程，直至合理。5.1 虚拟修模结果（1）初始压延筋位置可以根据：板料塑性流动情况和皱曲的方向和区域确定，例如：针 对 3 个起皱区域确定出3 到 5 个压延筋；（2）模拟时各参数不能盲目给定，应根据初值确定几组参数逐渐逼近的方式进行模拟，可以有效的减少模拟次数，更快的发现合理的参数组合。 图 5 所示为虚拟修模的压延筋分布结果。5.2 设计结果的模拟分析采用表 2 列出的压延筋和压边力参数进行模拟，输出如图6 所示的平面极限应变和厚度分布结果，图6 可知，对于复杂成形件很难调整到整个变形区域都处于拉应变状态，而又没有超出极限应变的理想状态，仍有少量的单元
9、处于压应变失稳状态，如图6a 所示，个别单元已经超过了极限应变曲线，如板料厚度分布从0.68mm1.05mm，个别区域超出了30%的材料减薄 率，如图 6b 所示。而且图 6 中超出极限应变的区域与超出材料减薄率的区域基本吻合；压应变失稳区域与材料增厚区域基本吻合，增厚率为5%，比未调整之前有很大改善，这种情况下 能保证基本消除宏观起皱达到零件质量要求，但仍然有微观起皱发生。结语综上所述，运用传统冲压模具设计与有限元技术相结合的方法，能够有效解决复杂冲压模 试冲起皱的问题，并且在有限元分析过程中可以得到大量的工艺参考参数，如板料应力应变分 布、厚度分布、成形力和压边力变化曲线等，对冲压模具设计和工艺制定有很大的帮助。（2） 应用有限元技术在冲压模具、工艺设计过程中能够简化设计过程，节约设计成本和时 间，有效解决实际难题，对提高冲压模具设计水平有很大的现实意义。参考文献1 黄志明.冲压模具设计的重点分析J.现代工业经济和信息化，2015（15）.2 赵博宁，罗若.冲压模具设计与制造课程改革探讨J.中小企业管理与科技（中旬刊），2014（01）.3 王秀丽，魏永辉.数字化技术在冲压模具设计与制造中的应用J.科技与创新，2016（18）.
